玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能試驗(yàn)研究

張玉庭 梅 宏 李世茂

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

隨著高層大跨結(jié)構(gòu)的快速發(fā)展，對(duì)混凝土耐久性問題的關(guān)注日益增多，混凝土的研究也逐漸向輕、高強(qiáng)度等方向發(fā)展。研究表明，添加復(fù)合材料能有效解決混凝土的固有缺陷。玄武巖纖維質(zhì)量輕、穩(wěn)定、高強(qiáng)，加入混凝土中可提高混凝土抗沖擊性能，降低脆性，改善混凝土的抗?jié)B性、抗凍融循環(huán)能力和抗收縮能力。為此，通過室內(nèi)試驗(yàn)，研究了纖維長(zhǎng)度、摻量對(duì)玄武巖混凝土工作性能和力學(xué)性能的影響，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

通過室內(nèi)力學(xué)試驗(yàn)對(duì)玄武巖纖維混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行研究。

1.1 測(cè)試材料

1.1.1 水泥

水泥選用普通硅酸鹽水泥，材料特性見表1。

表1 水泥特性

從表1可以看出，水泥初凝時(shí)間超過45min，終凝時(shí)間不超過600min，符合規(guī)范要求。

1.1.2 粗細(xì)骨料

骨料選用粒徑小于26.5mm的石屑，細(xì)集料選用中砂級(jí)配的河砂，其物理性質(zhì)見表2、表3。

表2 碎石粒度組成

表3 細(xì)骨料粒徑組成

1.1.3 玄武巖纖維

研究結(jié)果表明，玄武巖纖維具有良好的穩(wěn)定性和耐蝕性能。本試驗(yàn)選用重慶玄武巖實(shí)業(yè)公司生產(chǎn)的絲狀玄武巖纖維，長(zhǎng)度為12～24mm，單纖直徑為15μm，其物理特性見表4。

表4 玄武巖纖維物理特性

1.2 測(cè)試計(jì)劃

通過室內(nèi)壓縮強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度試驗(yàn)，研究不同纖維長(zhǎng)度和摻量對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響。經(jīng)9組試驗(yàn)，玄武巖纖維長(zhǎng)度分別為10mm、12mm、14mm，其摻量分別為0.1%、0.2%、0.3%，詳見表5。

表5 試驗(yàn)工況

2 玄武巖纖維混凝土工作性能

玄武巖纖維混凝土的工作性能是指混凝土在施工過程中能保證其質(zhì)量均勻、結(jié)構(gòu)致密的特點(diǎn)，又稱為和易性，主要包括流動(dòng)性、保水、黏合等，在實(shí)際工程中，多以流動(dòng)性作為評(píng)價(jià)混凝土和易性的指標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，混凝土骨料的最大粒徑為26.5mm（<40mm），因此，通過坍落度測(cè)定玄武巖纖維混凝土的流動(dòng)性，評(píng)價(jià)其工作性能。

坍落度試驗(yàn)主要使用標(biāo)準(zhǔn)坍落度桶、截頭圓錐形、搗棒、鋼尺等工具，具體試驗(yàn)步驟：

（1）濕潤(rùn)坍落度桶內(nèi)壁，并將其固定在不吸水的平板上。

（2）分層分次裝填玄武巖纖維混凝土，并沿坍落度桶邊緣向內(nèi)均勻插搗，插搗完成后抹平混凝土表面。

（3）在5～10s時(shí)間內(nèi)緩慢提起坍落度桶，并將測(cè)試時(shí)間控制在3min以內(nèi)。

（4）記錄坍落后混凝土最高點(diǎn)的高度，坍落度值為最高點(diǎn)高度與桶高的差值，擴(kuò)展度為混凝土停止流動(dòng)時(shí)測(cè)定的擴(kuò)展直徑。

在不同玄武巖纖維長(zhǎng)度和摻量條件下，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度如圖1、圖2所示。

圖1 玄武巖纖維混凝土坍落度

圖2 玄武巖纖維混凝土擴(kuò)展度

從圖1、圖2可以看出，在不同纖維長(zhǎng)度條件下，隨著玄武巖纖維含量的增加，混凝土的坍落度和擴(kuò)展度均降低。在無玄武巖纖維條件下，混凝土坍落度為195mm、擴(kuò)展度為455mm，流動(dòng)性能良好；添加0.1%的玄武巖纖維后，混凝土坍落度、伸縮度均未明顯降低，玄武巖纖維含量在0.2%以上時(shí)，坍落度和伸縮度下降幅度超過50%，流動(dòng)性明顯降低，玄武巖纖維含量下降，流動(dòng)性下降不明顯，這時(shí)玄武巖纖維混凝土流動(dòng)性基本喪失。

3 玄武巖纖維混凝土力學(xué)性能

按照有關(guān)規(guī)定，制作100mm×100mm×100mm的試件，使用室內(nèi)壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同纖維長(zhǎng)度和摻量條件下的混凝土進(jìn)行軸向抗壓試驗(yàn)，最大負(fù)壓率為3000kN，試驗(yàn)步驟為：

（1）擦凈養(yǎng)護(hù)試件，放置在壓力機(jī)承壓板上。

（2）將試件中心對(duì)準(zhǔn)測(cè)試板中心，使測(cè)試結(jié)果均勻加載，直至試件破裂，記錄最大載荷，精確到0.1MPa。

（3）整理記錄數(shù)據(jù)，最終抗壓強(qiáng)度值見公式（1）。

式中，fcu——混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；

F——最大破壞荷載，N；

A——試塊受力面積，mm2。

在不同纖維長(zhǎng)度和摻量條件下，混凝土的壓縮強(qiáng)度見圖3。

圖3 玄武巖纖維混凝土壓縮強(qiáng)度

通過分析可以看出，玄武巖纖維長(zhǎng)度不變時(shí)，隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸增加：玄武巖纖維長(zhǎng)度為10mm時(shí)，玄武巖纖維含量從0.1%上升到0.3%，玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度從35.6MPa提高到40.8 MPa；玄武巖纖維長(zhǎng)度為12cm時(shí)，玄武巖纖維含量從0.1%上升到0.3 %,玄武巖纖維混凝土的抗壓強(qiáng)度從36.2MPa提高到40.4MPa。由于混凝土中加入了一定量的玄武巖纖維，混凝土骨料間產(chǎn)生了牽拉、摩擦，玄武巖纖維就像箍筋一樣，同時(shí)承擔(dān)外部壓力，玄武巖纖維的摻量和長(zhǎng)度也隨之增加，其協(xié)同效應(yīng)越來越明顯。

4 結(jié)語

在混凝土中加入一定量的玄武巖纖維，可有效地提高混凝土的耐久性，本文通過室內(nèi)坍落度、抗壓強(qiáng)度測(cè)試，研究不同摻量、不同長(zhǎng)度條件下混凝土的工作性能和力學(xué)性能，分析玄武巖纖維含量、長(zhǎng)度對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響，得出以下結(jié)論：

在不同纖維長(zhǎng)度條件下，混凝土坍落度和擴(kuò)展度隨玄武巖纖維含量的增加而降低。當(dāng)玄武巖纖維含量大于0.2%時(shí)，坍落度和擴(kuò)展度下降50%以上；當(dāng)玄武巖纖維含量大于0.3%時(shí)，混凝土流動(dòng)性能基本消失。隨著玄武巖纖維摻量的增加，混凝土的抗壓強(qiáng)度也隨之增加，玄武巖纖維的添加對(duì)混凝土中的增筋性有較大影響，玄武巖纖維的摻量和長(zhǎng)度越大，加筋效果越明顯。